Ajánlott irodalom:
Előadó e-mail címe: simonl a ludens.elte.hu-nál
Ez a jegyzet nem szakirodalom s nem garantált, hogy az órai anyagot teljesen lefedi, az előadásokra bejárni ajánlott.
Ha a jegyzetben helyesírási, tartalmi vagy formai hibát találsz, kérlek jelezd az előadónak vagy a tuzesdaniel@gmail.com e-mail címen! Ha a jegyzet nem jelenik meg helyesen, olvasd el az útmutatót, vagy egyszerűen használd a Firefox legújabb böngészőjét!
A korábban (középiskolában) tanultakból általánosítunk. -ben éltünk eddig, ahol vektor alatt ezt értettük: ahol és Ezen vektorfogalmat fogjuk általánosítani úgy, hogy a már korábban tanult vektorok némely tulajdonságait kiválasztjuk, s egy halmaz ( ) elemeit (a, b és c) akkor fogjuk vektoroknak nevezni, ha az alább kiválaszott - és korábban (középiskolában) már tanult - tulajdonságokat (a műveletekkel) teljesítik.
Definíció: Ha egy halmazon értelmezve van az összeadás és a skalárral való szorzás a fentiek szerint, akkor azt vektortérnek (avagy lineáris térnek) nevezzük.
Ismert művelet volt -ben a skaláris szorzás, ezt értettük alatta: . Erre érvényesek az alábbi tulajdonságok:
Definíció: Legyen X vektortér, amelynek elemei között értelmezve van a skaláris szorzat (két elem skaláris szorzata egy
-beli szám) a fenti tulajdonságokkal. Ekkor X-t valós euklideszi (eukleidészi) térnek nevezzük.
Jó példa az euklideszi térre a
intervallumon értelmezett folytonos függvények összessége (röviden
) a szokásos összeadással, számmal való szorzással, ha a skaláris szorzat definíciója:
.
Definíció: Legyen X valós euklideszi tér! Ekkor egy
elem normáját így határozhatjuk meg:
A norma tulajdonságai:
Tétel: Legyen X valós euklideszi tér! Ekkor
esetén
. (Cauchy-Schwarz egyenlőtlenség, röviden CS)
Bizonyítás:
, ez teljesül minden
értékre, így
, vagyis
, és pont ezt akartuk igazolni.
Definíció: legyen X vektortér, amelyen értelmezve van egy norma a fenti tulajdonságokkal, ekkor X-t normált térnek nevezzük.
Példa:
, a függvény normája pedig
.
Egy normált térben mindig értelmezhető az elemek távolsága, . A távolság (metrika) tulajdonságai:
Definíció: Legyen X valamilyen halmaz és tfh értelmezve van függvény (metrika, távolság) a fenti tulajdonságokkal! Ekkor X-t metrikus térnek nevezzük.
Legyen !
Definíció: azt mondjuk, hogy az a pont az M halmaznak belső pontja, ha létezik a-nak olyan r sugarú környezete, hogy . Jele:
Definíció: a pont az M halmaznak külső pontja, ha létezik a-nak olyan r sugarú környezete, hogy . Jele:
Definíció: az a pont M-nek határpontja, ha a minden r sugarú környezete esetén és . Jele:
Állítás: halmazok diszjunktak, uniójuk kiadja X-et.
Definíció: egy
pontot az M halmaz torlódási pontjának nevezünk, ha az a pont minden környezetében van M-beli, de a-tól különböző pont, formailag: a torlódási pont, ha
. Az M halmaz torlódási pontjainak halmazát M'-vel jelöljük.
Megjegyzés: ha az a pont M-nek torlódási pontja, akkor a-nak minden környezete végtelen sok pontot tartalmaz az M halmazból.
Definíció: egy pontot az M halmaz izolált pontjának nevezünk, ha és .
Definíció:
az M halmaz belső és határpontjainak összességét az M halmaz lezárásának nevezzük,
.
Megjegyzés:
pontjait szokás M érintkezési pontjainak is nevezni. Továbbá
.
Definíció: egy halmazt nyíltnak nevezünk, ha esetén .
Definíció: egy M halmazt zártnak nevezünk, ha tartalmazza az összes határpontját
.
Példák (legyen
):
Állítás: egy halmaz zárt .
Tétel: tetszőleges M halmaz esetén
és
nyílt halmaz.
Bizonyítás (
nyílt halmaz
): legyen
. Azt kellene megmutatni, hogy
.
. Legyen
, ekkor
, ugyanis ha
, akkor a háromszög egyenlőtlenség miatt
.
Állítás: zárt halmazok.
Tétel: ha
nyílt, akkor
zárt halmaz.
Bizonyítás: tfh M nyílt halmaz, ekkor
,
, ezért
, vagyis
zárt.
Tétel: akárhány nyílt halmaz uniója nyílt halmaz, és véges sok nyílt halmaz metszete is nyílt.
Bizonyítás: legyenek
nyílt halmazok (I indexhalmaz)! Belátjuk, hogy
nyílt. Legyen
. Mivel
nyílt, ezért
.
Legyenek
nyílt halmazok (I indexhalmaz)! Belátjuk, hogy
nyílt halmaz. Legyen
. Mivel
nyílt, ezért
. Legyen
.
Tétel: akárhány zárt halmaz metszete zárt halmaz, és véges sok zárt halmaz uniója is zárt.
Bizonyítás: (belátjuk, hogy metszetük zárt) tfh
zárt! Ekkor
nyílt halmaz. Ezért
zárt. Az unió esete hasonlóan bizonyítható.
Megjegyzés: végtelen sok nyílt halmaz metszete általában nem nyílt, az alaphalmaz és az üreshalmaz nyílt és zárt egyszerre.
Definíció: egy (X metrikus tér) függvényt X-beli sorozatnak nevezünk. Jelölés: a sorozat k-adik tagja -nek, a sorozat .
Definíció: azt mondjuk, hogy az sorozat határértéke (limesze) , ha az a pont tetszőleges sugarú környezetéhez létezik olyan küszöbszám, hogy esetén . Másképp: , ezt így jelöljük:
Tétel: legyen X normált tér! Ha
.
Bizonyítás: mivel
, ezért
és mivel
, ezért
, így
, ha
.
Tétel: legyen X normált tér! Tfh
, (
) és
(
). Ekkor
.
Bizonyítás: mivel
ezért
. Mivel
ezért
. Tehát
esetén
. Mivel
korlátos,
-re, tehát
esetén
.
Tétel: legyen X euklideszi tér! Tfh
és
, ahol
. Ekkor
Bizonyítás: a Cauchy-Schwarz felhasználásával.
Tétel: legyen X normált tér! Ha
és
korlátos,
Bizonyítás: hasonló az előzőhöz.
Tétel: legyen
egy valós vagy komplex sorozat. Ha
.
Bizonyítás: mivel
, így
. Legyen
, ekkor
. Legyen
, ekkor
, és pont ezt akartuk igazolni.
Emlékeztető: X metrikus térben egy M halmazt zártnak neveztünk, ha (ahol ), továbbá ha a bármely környezete tartalmaz M béli pontot is. Ezek szerint M zárt halmaz pontosan akkor, ha minden olyan pont, amelynek bármely környezetében van M beli pont, az M-hez tartozik.
Tétel: egy
halmaz zárt pontosan akkor, ha tetszőleges konvergens sorozatot nézve, melynek tagjai
.
Bizonyítás: az előbbiek szerint M halmaz zárt pontosan akkor, ha minden olyan pont, amelynek bármely környezetében van M beli pont, az M-hez tartozik.
irányban: tfh M zárt! Ha
és
, akkor
, mert a minden környezetében van M beli pont is (nevezetesen
).
irányban: fordítva is igaz, ha a minden környezete tartalmaz M béli pontot, akkor
. Vagyis minden olyan pont (a), amelynek minden környezetében van M-beli pont (az
-k), az M-nek eleme, és a fentiek szerint ebből következik, hogy M zárt.
Korlátos és zárt halmazok, illetve sorozatkompakt halmazok
Tétel: legyen
korlátos sorozat
-ben! Ekkor
sorozatnak létezik konvergens részsorozata. (Bolzano-Weierstrass-féle kiválasztási tétel
-ben)
Bizonyítás: először
esetre, ekkor
korlátos
. Felezzük
intervallumot! Ekkor a két zárt fél intervallum közül legalább az egyik végtelen sok tagot tartalmaz a sorozatból. Ez legyen
. Ezt megint felezzük, melyek közül legalább az egyik végtelen sok tagot tartalmaz a sorozatból, ez legyen
…Így
-ból kiválasztható egy
részsorozat úgy, hogy
. Belátjuk, hogy
részsorozat konvergens.
,
. Tudjuk, hogy
felülről korlátos
és azt is, hogy
alulról korlátos
. Mivel
, továbbá
(„rendőr-elv”).
esetre, ekkor
. Mivel
korlátos sorozat
-ben, így
korlátos sorozatok
-ben. Az előzőek szerint az előbbiből kiválasztható ebből egy konvergens részsorozat,
. Tekintsük az
ugyanilyen indexű elemekből álló
részsorozatát (mely korlátos
-ben). Az előzőek szerint ennek létezik konvergens részsorozata,
.
konvergens, így
is az, így
részsorozat konvergens.
esetén hasonló módon, mint
-ről váltottunk
-re, itt is igazolható (tkp teljes indukció).
Megjegyzés: hasonló jellegű állítások általában nem igazak tetszőleges normált terekben, csak véges dimenzióban!
Tétel: legyen
korlátos és zárt halmaz! Ha
tetszőleges sorozat, akkor létezik olyan
részsorozata, amely konvergens és
Bizonyítás: mivel M korlátos
korlátos sorozat
-ben. A Bolzano-Weierstrass-féle kiválasztási tétel szerint ennek létezik konvergens részsorozata
, M zárt
.
Definíció: legyen X tetszőleges metrikus tér! Egy
halmazt sorozatkompaktnak nevezünk, ha tetszőleges M-beli sorozatnak van konvergens részsorozata, és limesze
.
Megjegyzés: a fenti tétel szerint
-ben minden korlátos és zárt halmaz sorozatkompakt.
Állítás: ha X tetszőleges metrikus tér
sorozatkompakt halmaz korlátos és zárt, de ha egy metrikus térben egy halmaz korlátos és zárt, még nem következik, hogy sorozatkompakt is (természetesen
-ben igaz).
Bizonyítás: legyen
sorozatkompakt halmaz! Először belátjuk, hogy M korlátos.
Indirekt bizonyítás: M nem korlátos. Legyen
rögzített pont. Ha M nem korlátos
és
és… Belátjuk (indirekt), hogy az így nyert
sorozatnak nincs konvergens részsorozata. Ha ugyanis
, ez ellentmond annak, hogy
.
Most belátjuk, hogy M zárt. Tekintsük az
M-beli elemekből álló konvergens sorozatokat! Mivel M sorozatkompakt, ezért
-nak létezik
részsorozata, ami konvergens és
, de
. Mint korábban bizonyítottuk, ez ekvivalens azzal, hogy M zárt.
Cauchy-féle konvergencia-kritérium, teljesség
Tétel: legyen X metrikus tér! Ha
konvergens sorozat,
, akkor teljesül rá az ún. Cauchy-féle (konvergencia) kritérium:
.
Bizonyítás: mivel
.
Kérdés: fordítva igaz-e? Általában nem.
Példák:
Definíció: egy X metrikus teret teljes metrikus térnek nevezzük, ha minden X-beli Cauchy-sorozatnak (vagyis melyre teljesül a Cauchy-féle konvergencia-kritérium) van limesze X-ben.
Tétel:
teljes metrikus tér.
Megjegyzés: a tétel azt mondja, hogy ha
-beli sorozatra teljesül a Cauchy-féle konvergencia-kritérium
.
Bizonyítás: legyen
, melyre teljesül a Cauchy-féle konvergencia-kritérium
. Először belátjuk, hogy
korlátos.
Legyen
, ekkor
. Legyen
rögzített, ekkor láthatjuk, hogy minden
, vagyis
fölött korlátos a sorozat. Mivel
véges, ezért
véges sok elem, így korlátos is.
Most belátjuk, hogy konvergens is. Alkalmazzuk a Bolzano-Weierstrass kiválasztási tételt, miszerint minden korlátos sorozatnak van konvergens részsorozata
. Belátandó még, hogy az
sorozat is ehhez tart. Legyen
tetszőleges. Mivel
. Másrészt mivel a Cauchy sorozat is, ezért
.
A továbbiakban legyen X és Y metrikus terek, , és !
Definíció: legyen
az f függvény értelmezési tartományának torlódási pontja! Azt mondjuk, hogy az f függvénynek az a pontban
a határértéke (limesze), ha b bármely (kicsi)
környezetéhez létezik a-nak olyan
környezete, hogy
.
Megjegyzés: mivel a pont
-nek torlódási pontja, ezért bármely
esetén
, továbbá a függvény határértéke szempontjából mindegy, hogy f értelmezve van-e a-ban vagy sem és
mivel egyenlő.
Állítás: a limesz egy pontban egyértelmű.
Definíció: legyen
. Ekkor f függvényt a pontban folytonosnak nevezzük, ha az
bármely
környezetéhez található az a-nak olyan
környezete, hogy
.
Megjegyzés:
Példa: . Ez a függvény 1-ben nem folytonos, és határértéke 1-ben 0.
Definíció: ha f folytonos minden pontjában, akkor f-et folytonosnak nevezzük.
(Az előző tételek bizonyítása az átviteli elvvel történik.)
A kompozíció függvény
Inverz függvény folytonossága
Egy tetszőleges függvény inverzét akkor tudjuk értelmezni, ha a függvény injektív, azaz .
Definíció: ha f injektív, akkor inverzét így értelmezhetjük: esetén , ahol .
Állítás: ha
és szigorúan monoton függvény, akkor f injektív.
Kérdés: Ha f folytonos és injektív, akkor inverze is? Általában nem. Pl:
.
Állítás: ha függvény szigorúan monoton, akkor inverze is.
Tétel: ha
szigorúan monoton függvény és
valamilyen intervallum
folytonos.
Megjegyzés: az intervallumok az
összefüggő részhalmazai. Egy
halmazt összefüggőnek nevezünk, ha
.
Bizonyítás: legyen
. Legyen
. Először tegyük fel, hogy
. Azt szeretnénk belátni, hogy
folytonos
-ban. Legyen
(ilyen
létezik, mert
)! Ekkor
, mivel f szigorúan monoton (növő). Ha
, mivel f inverze is szigorúan monoton, ezért
, vagyis
folytonos
-ban. Az
eset tárgyalása hasonló.
Példák:
Tétel: legyenek X, Y metrikus terek,
,
sorozatkompakt, f injektív
.
Bizonyítás: legyen
. Belátjuk, hogy
. Alkalmazzuk az átviteli elvet! Legyen
olyan, amelyre
. Belátandó:
.
, vagyis belátandó:
. Indirekt bizonyítunk: ha ez nem lenne igaz, akkor
. Tekintsük az
sorozatot, amelyre
. Tudjuk, hogy
sorozatkompakt, ekkor
, de mivel
és mivel
. De hát f injektív, vagyis
, ami meg ellentmondás, mert
esetén
, de ez ellentmond
-nak.
Tétel: legyen X, Y metrikus terek,
,
sorozatkompakt
is sorozatkompakt. (Weierstrass tétele).
Bizonyítás: legyen
tetszőleges sorozat! Azt kell megmutatni, hogy
részsorozata, mely konvergens és
. Mivel
. Mivel
sorozatkompakt és
. Mivel
, node
, ezért
, és pont ezt akartuk belátni.
Következmények:
Példák arra, hogy miért szükséges feltenni, hogy sorozatkompakt ( sorozatkompaktsága -ben azt jelenti, hogy a halmazok korlátosak és zártak)
Megjegyzés: az a tény, hogy egy , ahol függhet -tól és -tól is.
Definíció: azt mondjuk, hogy X, Y metrikus terek esetén egy függvény egyenletesen folytonos, ha . Tehát ekkor csak -tól függ.
Tétel: ha f folytonos és
sorozatkompakt
egyenletesen folytonos. (Heine tétele.)
Bizonyítás: tfh f folytonos,
sorozatkompakt. Indirekt bizonyítunk:
, de
. Legyen
, ekkor tehát
de
. Tudjuk, hogy
sorozatkompakt, így
. Mivel
. Mivel
, az átviteli elv alapján
, de ez meg ellentmondás a feltevésünkkel, miszerint
.
Példák:
Tétel: legyen
, ekkor tetszőleges
számhoz
. (Bolzano tétel)
Bizonyítás: tekintsük a következő halmazt:
mivel
, továbbá M korlátos. Legyen
. Belátjuk, hogy
. Indirekt bizonyítunk:
vagy
nem lehetséges.
Első eset: ha
lenne, akkor
, ezért
-nek megadható olyan jobboldali környezete, ahol a függvényértékek -nál kisebbek, mert
, vagyis
, ez pedig ellentmond annak, hogy
.
Második eset: ha
lenne, akkor
és
. Ez is ellentmond annak, hogy
. Tehát mivel
.
Következmények: legyen
valamilyen intervallum (véges vagy végtelen, nyílt vagy zárt), és tfh
. Ekkor
esetén
.
Megjegyzés: az ilyen tulajdonságú függvényeket Darboux tulajdonságúaknak nevezzük. A Bolzano-tétel kimondja, hogy ha
f Darboux tulajdonságú.
Példa:
. Ez a függvény Darboux tulajdonságú, de nem folytonos 0-ban.
Állítás: egy
halmaz intervallum
esetén
.
Ezen állítás segítségével a Bolzano tétel így is megfogalmazható:
Tétel: ha I intervallum, és is intervallum.
Alkalmazás:
Definíció: Legyen X metrikus tér, . Ekkor azt mondjuk, hogy folytonos ívet, görbét határoz meg az X-ben. . Ekkor és -t a görbe végpontjainak nevezzük. (Megj: van, amikor -t nevezzük görbének, nem pedig a „képét”.)
Definíció: azt mondjuk, hogy az halmaz ívszerűen összefüggő, ha az A halmaz bármely két pontja összeköthető az A-ban haladó folytonos görbével, ívvel, vagyis , hogy
Tétel: legyenek X, Y metrikus terek,
! Ha
ívszerűen összefüggő, akkor
is.
Bizonyítás: legyenek
. Belátjuk, hogy
összeköthető
-ben haladó folytonos ívvel. Mivel
. Mivel
ívszerűen összefüggő
, hogy
. Legyen
ekkor
folytonos (kompozíció függvény tulajdonságából), továbbá
, sőt,
.
Definíció: azt mondjuk, hogy az
összefüggő (topológiai értelemben), ha nem adható meg
és
diszjunkt nyílt halmaz úgy, hogy
.
Megjegyzés: belátható, hogy ha A ívszerűen összefüggő, akkor összefüggő.
Tétel: legyenek X, Y metrikus terek, ! Ha összefüggő is. (Bolzano-tétel metrikus térben.)
Definíció: legyenek X, Y metrikus terek, , és -re . Azt mondjuk, hogy függvények függvénysorozatot alkotnak, jelölése .
Definíció: azt mondjuk, hogy az
függvényekből álló sorozat pontonként tart egy
függvényhez, ha
.
Kérdés: feltéve, hogy
minden j-re,
? Általában nem. Pl:
, ekkor
, de
.
Definíció: azt mondjuk, hogy az
függvényekből álló sorozat egyenletesen tart az
függvényhez, ha
.
Megjegyzés:
csak -tól függ, és nem függ x-től. (Pontonkénti konvergencia esetén függhet x-től.)
Példa: , ekkor egyenletesen tart 0-hoz a -n. Ugyanis legyen tetszőleges, esetén mikor teljesül? Válasszuk meg számot úgy, hogy esetén . Ezt mindig megtehetjük, ugyanis , így esetén .
Tétel: legyen
. Ha
függvénysorozat egyenletesen tart egy
függvényhez, akkor f folytonos.
Bizonyítás: legyen
. Belátjuk, hogy
. Tetszőleges
esetén
. Legyen
tetszőleges, ezért mivel
egyenletesen tart f-hez,
. Választhatunk egy rögzített
-t, mondjuk
. Továbbá tudjuk, hogy
, tehát
.
Megjegyzés:
függvények esetén
függvénysorozat nem tart egyenletesen az f függvényhez.
Definíció: legyen X metrikus tér, ( helyett lehetne is). Ekkor tekintsük a következő függvénysorozatot: . Az ilyen módon értelmezett sorozatot a tagokból álló függvénysornak nevezzük.
Definíció: azt mondjuk, hogy a
tagokból álló sor pontonként konvergens és összege
függvény, ha
esetén
tagokból álló számsor konvergens
-ben, és a sor összege
, és ezt így jelöljük:
jelöljük.
Megjegyzés:
.
Definíció: azt mondjuk, hogy a tagokból álló függvénysor egyenletesen konvergál egy függvényhez, ha esetén függvénysorozat egyenletesen tart f-hez.
Tétel: tfh
folytonos és a
tagokból álló sor egyenletesen konvergál egy
függvényhez
.
Bizonyítás:
folytonos,
-hez egyenletesen konvergál
.
Tétel: tfh
függvényekre teljesül, hogy
és
. Ekkor a
tagokból álló függvénysor egyenletesen konvergens.
Bizonyítás: legyen
tetszőleges, rögzített pont. Először belátjuk, hogy
. Legyen
, ekkor
, mivel
, vagyis
számsorozatra teljesül a Cauchy-kritérium. Mivel
teljes tér
, vagyis a
és a
tagokból álló függvénysor konvergens.
Belátjuk, hogy a sor, illetve a vele ekvivalens
függvénysorozat egyenletesen konvergál f-hez. Legyen
tetszőleges, a fentiek szerint,
határátmenetben a fenti egyenlőtlenségből kapjuk, hogy
, ha
. De hisz ez pont az jelenti, hogy
egyenletesen tart f-hez.
Definíció: egy
tagokból álló függvénysort hatványsornak nevezünk.
Megjegyzés: a hatványsor tagjai folytonos függvények.
Kérdés: a hatványsor mely x-ekre konvergens, illetve egyeneltesen konvergens?
Definíció: legyen
. Az
valós számsorozat limesz szuperiorját illetve limesz inferiorját így értelmezzük:
jelenti azt a legnagyobb valós számot (vagy végtelent), amelyhez az
egy alkalmas részsorozata konvergál. Ezzel analóg a
.
Megjegyzés:
Tétel: legyen
. Ha a nevező nulla lenne, akkor
, ha végtelen, akkor
. Ekkor
esetén a hatványsor konvergens,
esetén pedig divergens.
Bizonyítás: a gyökkritérium alapján…
Tétel: legyen
, ekkor a hatványsor egyenletesen konvergens az
sugarú intervallumban (vagy körben).
Bizonyítás: Weierstrass kritériummal bizonyítjuk. Legyen
, ekkor
. Azt kellene belátni, hogy
tagokból álló sor konvergens. Alkalmazzuk erre a gyökkritériumot!
konvergens (ez a gyökkritérium).
Következmény: a hatványsor összege folytonos a konvergenciakör belsejében. Például , ennek a konvergencia-sugara végtelen, mert .
Definíció: egy
vagy
függvényt az
pontban differenciálhatónak nevezünk, ha
és
és véges
és véges.
Megjegyzés: Hogy egy ilyen definíciót továbbvihessünk "többváltozós" függvényekre, szükségünk van a lineáris leképezések vizsgálatára.
Definíció: legyen X vektortér, azt mondjuk, hogy az halmaz elemei lineárisan függetlenek, ha bármely M -beli véges sok elemre . Gyakran M-et nevezzük lineárisan függetlennek, nem pedig az elemeit.
Állítás: egy vektortér lineárisan független elemeinek maximális száma egyértelmű.
Definíció: az X vektortér dimenziójának nevezzük az X-beli lineárisan független elemek maximális számát (véges vagy végtelen is lehet).
Definíció: legyenek X és Y vektorterek, ! Egy leképezést lineárisnak nevezünk, ha
Példák: lineáris leképezés. Ekkor egyértelműen létezik egy olyan mátrix, hogy , és ilyen alakú:
Definíció: jelölje a az összes lineáris leképezések halmazát!
Definíció: legyen X, Y vektorterek, , ekkor -t így értelmezzük: -re.
Állítás:
Definíció: az
-nek
számmal való szorzatát így értelmezzük:
.
Megjegyzés: a homogenitás miatt a zárójelet elhagyhatjuk, a művelet egyértelmű marad.
Állítás:
Tétel: vektorteret alkot az előbbi két művelettel (vagyis az között értelmezett összeadással és -val értelmezett szorzással).
Definíció: legyenek vektorterek! Egy szorzatát így értelmezzük: , vagyis mint kompozíció, tehát .
Állítás: .
Definíció: legyen
Ekkor és . Így igaz a következő
Tétel: -ben érvényesek a következők:
Definíció: egy hatványait így értelmezzük: , , … .
Állítás: legyen és . Ha , akkor . (Itt azt jelenti, hogy ; mátrixszorzást jelent).
Definíció: legyen X vektortér, ! Azt mondjuk, hogy szám az A leképezés sajátértéke és pedig a sajátvektora, ha .
Definíció: a
sajátérték rangjának (vagy geometriai multiplicitásának) a
-hoz tartozó lineárisan független sajátelemek (sajátvektorok) maximálás számát nevezzük.
Megjegyzés: a
-hoz tartozó sajátvektorok alteret alkotnak.
Speciális eset:
:
egyenlet megoldásai adják a
sajátértékeket.
Lineáris leképezések inverze
Legyen X vektortér! Egy leképezésnek mikor van inverze? (Tudjuk, hogy az inverz csak akkor értelmezhető, ha a függvény injektív).
Tétel: egy
leképezésnek pontosan akkor van inverze, ha
, vagyis ha
.
Bizonyítás: belátjuk, hogy A injektív, ha
, illetve
ha A injektív. Első része: legyen
és
, mivel
, ezért
, tehát A injektív, ha
.
Most belátjuk, hogy
ha A injektív, vagyis
.
és A injektív
.
Állítás: injektív
Állítás: legyen olyan, hogy , ekkor és .
Legyen a továbbiakban X, Y normált tér,
.
Kérdés: következik-e ebből, hogy A folytonos is? Általában nem.
Állítás: legyen
, ekkor A folyonos.
Bizonyítás: legyen
mátrix, melyre
. Becsüljük meg amink van
-t!
(lásd a megjegyzést), vagyis
, így
. Legyen
tetszőleges,
. Ha
.
Megjegyzés: az első számítás során felhasználtuk, hogy
. (Cauchy-Schwarz egyenlőtlenség).
Definíció: legyen X, Y normált tér, ! Az A leképezést korlátosnak nevezzük, ha -re.
Tétel: legyen
. Ekkor A folytonos
korlátos.
Bizonyítás:
irányban: tfh A korlátos, vagyis
. Legyen
. Azt szeretnénk belátni, hogy
. Tudjuk, hogy
, ezért legyen
, így
.
irányban indirekt: tfh A nem korlátos, de folytonos, vagyis a nem korlátosságból adódóan
. Ekkor
számhoz
. Legyen
, ekkor
, vagyis
. Mivel A folytonos, így az átviteli elv segítségével
, de tudjuk, hogy
, tehát azt kaptuk, hogy
-re, de ez meg ellentmond annak, hogy
Definíció: egy f függvényt akkor nevezünk folytonosan differenciálhatónak egy
-n, ha folytonos az
-n, differenciálható a
-n és a deriváltjának létezik folytonos kiterjesztése az
-ra. Ezt a tényt így jelöljük:
.
Példa lineáris, nem korlátos operátorra:
, művelet a szokásos összeadás és skalárral való szorzás, a norma
. Legyen
, ahol A a differenciáloperátor, vagyis
. Vegyük észre, hogy
, de nem folytonos. Ugyanis:
az
függvények folytonosan differenciálhatóak, normájuk
. Továbbá
. Eszerint az
, f folytonosan differenciálható,
operátor nem folytonos, de lineáris (az A operátor a
intervallumon folytonos függvények halmazából képez a
intervallumon folytonos függvények halmazába).
Adott vektortérhez többféleképp is értelmezhető norma. Folytonos függvényekre (amik vektorteret alkotnak) egy lehetséges norma a következő: vagy akár a következő: . Ez utóbbira lássuk be a norma tulajdonságait!
Definíció: legyen X, Y normált tér, és korlátos. Értelmezzük az A operátor normáját! . Belátandó, hogy a norma tulajdonságai teljesülnek. Mivel A korlátos, , ha .
Tétel: legyen X, Y normált tér! Tekintsük a korlátos,
-beli operátorokat az összeadással és számmal való szorzással és az előbb értelmezett normával. Ez normált teret alkot és
-nak jelöljük.
Megjegyzés: az X-en értelmezett Y-ba képező korlátos lineáris operátorok a szokásos műveletekkel vektorteret alkotnak, mert 2 korlátos, folytonos operátor összege is folytonos, korlátos és skalár szorosa is korlátos (utóbbi ekvivalens a folytonossággal, mint bizonyítottuk).
Állítás: legyen
! Ekkor
.
Bizonyítás:
. Mivel
elemet véve
. Ekkor
. Belátjuk, hogy
nem lehet, ha ugyanis
lenne, akkor
, de ekkor
lenne, ami ellentmond
-nak.
Tétel: legyen X normált, Y teljes normált tér, ekkor
normált tér is teljes.
Bizonyítás: legyen
Cauchy-sorozat az
normált térben, vagyis
. Be kellene látni, hogy
. Legyen
tetszőleges rögzített elem! Tekintsük az
Y-beli sorozatot! Belátjuk, hogy erre teljesül a Cauchy-kritérium.
. Mivel Y tér teljes,
.
rögzített elemre. Nem nehéz belátni, hogy
. Belátandó, hogy korlátos is.
. Mivel
Cauchy sorozat,
. Legyen
, ekkor
ha
.
véges sok operátor, ezek korlátosak. Ebből következik, hogy
, továbbá a
egyenlőtlenségből követkeik
esetben, hogy
, tehát
és
.
Emlékeztető kalkulusról: függvény differenciálható egy pontban, ha . Legyen , ekkor egy f differenciálható, ha . Ha teljesül úgy, hogy differenciálható. Módosítás: , ekkor , ahol . Ezt, az eredetivel ekvivalens meghatározást tovább lehet általánosítani normált terekre.
Definíció: legyenek X, Y normált terek,
,
! Azt mondjuk, hogy f differenciálható az
pontban, ha
és
.
Megjegyzés:
esetben visszaadja a klasszikus definíciót.
Állítás: ha f differenciálható az
-ban, akkor A egyértelmű.
Bizonyítás: tfh
és
ahol
. Belátjuk, hogy
.
Legyen
tetszőleges és
. Ekkor
benne van az
kis környezetében, ha
elég kicsi. Ekkor
. Osszuk mindkét oldalt a-val!
, így
, ezért
Definíció: ha f differenciálható az
-ban, akkor az
korlátos lineáris operátort az f függvény
beli deriváltjának nevezzük, és
-nak jelöljük.
Megjegyzés:
, továbbá erre igaz, hogy
, ahol
. Speciális eset:
, ennek megfeleltethető egy
mátrix:
.
Állítás: ha f differenciálható
-ban, akkor f folytonos
-ban.
Bizonyítás:
. Belátjuk, hogy
. Egyrészt
. Másrészt
. Tehát
.
Tétel: tfh f és g differenciálható
-ban
is, és
. Továbbá tetszőleges
esetén
is differenciálható
-ban és
.
Bizonyítás: mivel f differenciálható
-ban
értelmezve van
-n is, ha
elég kicsi. Legyen
! Ekkor
, ahol
. Mivel g differenciálható
-ban
értelmezve van az
-n is, ha
elég kicsi. Legyen
, ekkor
, ahol
. Ezekből következik, hogy
esetén,
-re:
. Továbbá mivel
,
.
Tétel (a kompozíció függvény deriválási szabálya): tfh normált terek, , , ekkor . Tfh f differenciálható -ban és g differenciálható -ban úgy, hogy . Ekkor is differenciálható -ban és .
Bizonyítás: mivel f differenciálható -ban, így f értelmezve van egy környezetben. Legyen , ekkor ahol . Mivel g differenciálható -ban, ezért értelmezve van egy környezetében. Legyen , ekkor és . Mivel környezethez . Legyen . esetén y helyébe -t írhatunk a g-re vonatkozó egyenletben . Azt kellene megmutatni, hogy . Tekintsük először első tagját: , mert az utolsó tag . Tehát már elegendő csak állítást belátni. Ehhez használjuk a következő jelölést: . Láthatjuk, hogy ekkor . Átrendezve: , a szorzat , ha az utolsó tényező korlátos, ugyanis definíciójából következik, hogy , mert . A második tényező valóban korlátos, ugyanis .
Tétel (a valós függvény inverzének deriválási szabálya): legyen I egy
-beli nyílt intervallum! Legyen
szigorúan monoton függvény és
. Ha f differenciálható
-ban és
differenciálható
-ban és
.
Bizonyítás: mivel f szigorúan monoton (növő), ezért f injektív, tehát létezik
. Mivel
intervallum, ezért
is intervallum (Bolzano tétel), sőt, nyílt is, mivel f szigorúan monoton. Ekkor
-t tekintve
.
értelmezve van b egy környezetében, ebből véve egy y pontot
.
Ebből láthatjuk, hogy
. Ekkor
.
mert
. Ha
(mert f szigorúan monoton). Másrészt
.
A továbbiakban legyen . Tegyük fel, hogy . Mit jelent az, hogy f differenciálható egy pontban?
Definíció szerint
. Tudjuk, hogy A-hoz egyértelműen megfeleltethető egy
mátrix, melyre
, így
.
Kérdés: mik a mátrixelemek, vagyis
Először legyen , azaz
. f differenciálhatósága azt jelenti, hogy
ahol
. Legyen speciel
. Ekkor
, ahol
. Ezért a függvény j-edik változó szerinti parciális deriváltja
-ban
. Tehát
. Ez volt az
eset. Általánosan,
esetre mi lesz?
.
-t nevezhetjük a függvény koordináta-függvényének. f differenciálhatósága azt jelenti, hogy
. Ugyanez koordinátánként kiírva:
, az előbbiek szerint
. Tehát a mátrixot ilyen alakban írhatjuk:
.
Tétel: ha
függvény differenciálható egy
pontban, akkor
-ra
parciálisan differenciálható minden változójában, továbbá
a fenti mátrixszal adható meg. Az
mátrixelemei a koordináta függvények első parciális deriváltjai.
Megjegyzés: ha
parciálisan differenciálható
-ban minden változója szerint, abból nem következik, hogy f differenciálható is.
Definíció: legyen , ! Azt mondjuk, hogy
Tétel: legyen f differenciálható a pontban! Ha f függvény a-ban lokálisan nő
, és ha
a-ban szigorúan lokálisan nő, illetve ha lokálisan fogy
és ha
a-ban szigorúan lokálisan fogy.
Bizonyítás: a) tfh f függvény a-ban lokálisan nő és f differenciálható a-ban.
. Mivel f függvény a-ban lokálisan nő
ha
, azaz
.
b) tfh
értelmezve a egy környezetében. Mivel
, ezért
tehát f függvény a-ban szigorúan lokálisan nő.
Megjegyzés: fordítva nem igaz, tehát ha f szigorúan lokálisan nő
.
Példa:
, ekkor
. Ez 0-ban szigorúan lokálisan nő, de
.
Definíció: legyen . Azt mondjuk, hogy f-nek a-ban
Tétel: ha f differenciálható a-ban és a-ban lokális szélsőértéke van
.
Bizonyítás: indirekt,
. Ha pl
-ban szigorúan lokálisan nő, vagy ha
-ban szigorúan lokálisan fogy.
Megjegyzés:
-nek a-ban lokális szélsőértéke van. Pl
, pedig f 0-ban szigorúan lokálisan nő.
Definíció: azt mondjuk, hogy az egy I intervallumon
Rolle Tétel: tfh
folytonos és
-n differenciálható,
. Ekkor
.
Bizonyítás: a) ha
, akkor
.
b) ha létezik
, pl
, akkor mivel
sorozatkompakt halmaz
-ben (ami korlátos és zárt) ezért
sorozatkompakt
korlátos és zárt.
. Mivel
, ezért
. Ezért f-nek -ben lokális minimuma van. f differenciálható -ben, tehát
.
Lagrange-féle középérték Tétel: tfh
és f differenciálható
-n. Ekkor
.
Bizonyítás: visszavezetjük a Rolle tételre. Értelmezzük a g függvényt a következő módon:
. Ekkor
és g differenciálható
-n.
, de a definícióból látható, hogy
. Alkalmazzuk Rolle tételét!
, azaz
Tétel: legyen
intervallum!
, továbbá f differenciálható
-ben. Ekkor f monoton nő az I-n
.
Bizonyítás: a) ha f monoton nő
-re
b) tfh
. Legyen
,
! Azt kellene belátni, hogy
. Alkalmazzuk a Lagrange-féle középérték tételt!
. A feltétel szerint
.
Megjegyzés: azt hihetnénk, hogy f szigorúan monoton növekedése
, pedig nem.
Példa:
. Ekkor f szigorúan monoton nő, de
.
Tétel: legyen
intervallum,
és f differenciálható
-ben! Ekkor f szigorúan monoton nő I-n
és I-nek nincs olyan J részintervalluma, ahol
Bizonyítás:
irányban: tfh f szigorúan monoton nő az I-n
monoton nő
. Indirekt tfh
Lagrange-féle középérték tétel felhasználásából
-n. Ez ellentmond annak, hogy f szigorúan monoton nő.
irányban: tfh
és
részintervallum, ahol
. Mivel
monoton nő. Ha f nem szigorúan monoton növő lenne, akkor
(mivel f monoton nő)
, ha .
Tétel: tfh
, és ennek az összes elsőrendű parciális deriváltja létezik
valamely teljes környezetében, és ezek folytonosak
-ban. Ekkor f differenciálható
-ban.
Bizonyítás: a feltétel szerint egy
bizonyos környezetében fekvő
pontra
, alkalmasan választott
segítségével folytatva (Lagrange-féle középértéktétel felhasználásával):
. Azt kellene belátni, hogy
ahol
. Hasonló egyenlőség érvényes
minden tagjára, pl. az 1-re:
Megjegyzés: a tétel feltétele elegendő, de nem szükséges f differenciálhatóságához.
Tétel: legyen
.
. Az, hogy f differenciálható
-ben
-re
differenciálható
-ban,
.
Következmény: ha
létezik
egy környezetében és folytonos
-ban
-ra, akkor f differenciálható
-ban.
Bizonyítás: f differenciálható
-ban
ahol
. „Koordinátás” alakban így is írhattuk volna:
-re, ahol
illetve
. Ez pontosan azt jelenti, hogy
koordinátafüggvény differenciálható
-ban.
Definíció: legyen X, Y normált terek, tartomány (vagyis nyílt és összefüggő). Ha az f az minden pontjában differenciálható, akkor azt mondjuk, hogy f differenciálható -n.
Definíció: legyen ! Ha -re , akkor f egyszer parciálisan differenciálható -ban. Ha folytonos is minden pontjában -re, akkor f egyszer folytonosan differenciálható -n, .
Definíció: legyenek X, Y normált terek, . Tekintsük az összes pontot, melyben f differenciálható! Azt a függvényt, amely az ilyen ponthoz az deriváltat rendeli, f (első) derivált függvényének nevezzük, jele .
Definíció: legyenek X, Y normált terek,
. Ha
differenciálható
-ban (tehát értelmezve is van
egy környezetében), akkor azt mondjuk, hogy f kétszer differenciálható
-ban és definíció szerint
.
Megjegyzés:
,
lineáris folytonos operátor, így
.
Definíció: ha
függvény értelmezve van és folytonos valamely
tartományon, akkor azt mondjuk, hogy f egyszer folytonosan differenciálható -n.
Megjegyzés: ez a definíció
esetén ekvivalens a korábbi definícióval.
Definíció: ha f' függvény értelmezve van és folytonos valamely tartományon, akkor azt mondjuk, hogy f kétszer folytonosan differenciálható -n.
Definíció: legyen
képező függvény! Ha valamely j-re a
függvény a k-adik változója szerint parciálisan differenciálható egy
pontjában, akkor
. Hasonlóan értelmezhető f függvény magasabb rendű parciális deriváltjaira.
Kérdés: igaz-e, hogy
,
-ra? Általában nem (de azért a fizikában előforduló példákra általában igaz, mint ahogy látni is fogjuk).
Pl:
. Ekkor
de
. Az eredmények nem triviálisak, segítségképp:
illetve
.
Young Tétel
-ből
-be képező függvényekre:
legyen
, melyre
pont környezetében létezik
és
is és folytonosak
pontban. Ekkor
.
Bizonyítás:
. Alkalmazzuk először a Lagrange középérték-tételt F és G függvényekre!
az
között, hogy
és
az
között, hogy
, ezért a fenti egyenlőség miatt
. Még 2x alkalmazzuk a Lagrange-féle középérték tételt:
függvényre és
függvényre.
, ahol
egy
között,
pedig egy
között van.
.
esetén, mivel
és
folytonosak -ban,
.
Következmény: ha -be képez és az f-nek az összes második parciális deriváltja létezik egy környezetében és folytonos -ban .
Definíció: azt mondjuk, hogy egy függvény k-szor ( ) folytonosan differenciálható -n, ha minden legfeljebb k-ad rendű parciális derivált létezik és folytonos az tartományon.
Tétel: ha
függvény k-szor folytonosan differenciálható, akkor f minden legfeljebb k-adrendű parciális deriváltjában a deriválások sorrendje tetszőlegesen felcserélhető.
Jelölés: feltéve, hogy f függvény k-szor folytonosan differenciálható, a továbbiakban használandó a következő jelölés a legfeljebb k-adrendű parciális deriváltakra:
esetén
. A deriválás rendje
.
Megjegyzés: ha
függvény k-szor folytonosan differenciálható
minden legfeljebb
-edrendű parciális deriváltja differenciálható.
Azért kellenek, mert , és ezt összefüggésbe akarjuk hozni az X×X-ből Y-ba képező operátorokkal.
Definíció: legyenek X, Y vektorterek, ekkor és X×Y-n értelmezzük az összeadást és a valós számmal való szorzást: , esetén .
Állítás: az X×Y a fenti tulajdonságokkal vektorteret alkot.
Definíció: legyenek X, Y normált terek. Ekkor az X, Y vektortérben vezessük be a következő normát:
!
(Megj: más normát is lehetne definiálni, pl
).
Állítás: X×Y a fenti normával normált tér.
Definíció: legyenek X, Y, Z normált terek, tekintsük az X×Y vektorteret! Egy
operátort bilineárisnak nevezünk, ha minden rögzített
esetén
,
lineáris és minden rögzített
esetén
,
lineáris.
Megjegyzés: az X×Y-ből Z-be képező bilineáris operátorok vektorteret alkotnak a következő művelettel:
és
esetén
.
Kérdés: legyenek X, Y, Z normált terek (tehát vektorterek is). Továbbá legyen
bilineáris operátor. Következik-e ebből, hogy
folytonos? Általában nem.
Tétel: az
bilineáris operátor folytonos
,
-ra.
Megjegyzés: ha az utóbbi teljesül, akkor
bilineáris operátort korlátosnak nevezzük.
Bizonyítás
irányban: tfh
korlátos. Belátjuk, hogy
folytonos
rögzített elemnél.
ezért nyílván
irányban: tfh folytonos, de nem korlátos (indirekt):
. Legyen
és
. Ebből már látszik az állítás.
Definíció: legyenek X, Y, Z normált terek, korlátos, folytonos bilineáris operátor. Ekkor normáját így értelmezzük: .
Állítás: . (A bizonyítása hasonló lineáris korlátos operátorok esetéhez.)
Tétel: tekintsük az
képező korlátos bilineáris operátorokat az előbb bevezetett összeadással és skalárral való szorzással, és vegyük hozzá a fenti normát. Ekkor egy normált teret kapunk.
Észrevétel: legyenek X, Y, Z normált terek,
. Értelmezzük az
operátort:
. Ekkor
korlátos bilineáris operátor.
Bizonyítás: a) a fentiek szerint
b) belátjuk először, hogy
bilineáris operátor
.
c) belátjuk, hogy
korlátos:
korlátos, továbbá
.
Tétel: legyenek X, Y, Z normált terek,
. Ekkor az
képlettel értelmezett
bilineáris operátor. Fordítva: minden
bilineáris operátort ilyen alakú:
.
Bizonyítás: az első állítást beláttuk. Fordítva: tfh
korlátos bilineáris operátor. Tekintsük tetszőleges, rögzített
esetén a következő
operátort:
. Ez egyrészt lineáris, másrészt korlátos, hiszen a feltétel szerint
korlátos:
a fenti operátor korlátos operátor és normája
. Jelölje
ezt az
-beli operátort
. Nem nehéz belátni, hogy
x-től lineárisan függ. A korlátos is, hisz
korlátos is, sőt
. (lásd az előbbi tételt)
Megjegyzés:
képlet lineáris normatartó leképezést definiál a bilineáris operátorok és
között.
Definíció: legyenek vektorterek. Egy leképezést multilineárisnak nevezünk, ha minden koordinátájában lineáris (midőn a többit rögzítjük).
Definíció: legyenek normált terek! Egy multilineáris leképezés korlátos .
Tétel: folytonos korlátos.
Tétel: egy multilineáris folytonos operátor általános alakja .
Legyenek X, Y normált terek, . Ha f differenciálható -ben, akkor . függvény X-ből -ba képező függvény. Ezért . Az -beli operátornak a fentiek szerint egyértelmű módon megfelel egy bilineáris folytonos operátor: , .
Speciális eset: . Ekkor , (a jel a megfeleltethetőséget jelenti). . Ez úgy is felfogható, hogy . tekinthető bilineáris operátornak, de tekinthető -beli operátornak is, ennek megfelel egy n×n-es mátrix. , . .
Speciális eset:
, Y tetszőleges normált tér,
,
(a nyíl a megfeleltethetőséget jelenti)
a következő képlettel:
,
-ből Y-ba képező lineáris operátor. Ekkor
azonosítható
elemmel.
Magyarázat: ebben az esetben az
,
, ugyanis f’ is tekinthető
függvénynek,
.
A Lagrange középértéktétel többváltozós függvényekre
Legyen X normált tér, .Tétel: legyen
. Tfh
folytonos
-n és differenciálható
. Ekkor
.
Bizonyítás: visszavezetjük az
függvényekre.
. Ekkor
,
és itt differenciálható is.
,
, ekkor
. Mivel
, továbbá
differenciálható
-n,
, g függvényre alkalmazzuk a Lagrange-féle középérték-tételt:
,
,
,
.
.
Kérdés: mi a helyzet akkor, ha
. Egyszerű példa:
,
. Ebben az esetben a fenti állítás általában nem igaz.
,
,
. Ekkor
,
,
(
,
).
Tétel: legyenek X, Y normált terek, , , és f differenciálható . Ekkor . Ez a Lagrange egyenlőtlenség.
Állítás: legyenek X, Y normált terek,
tartomány (azaz nyílt és összefüggő)
nyílt és bármely két pontja összeköthető egy -ban haladó törött vonallal. Tfh
és f differenciálható
minden pontjában és
állandó.
Bizonyítás: legyen
tetszőleges. Belátjuk, hogy
. Kössük össze az
és
pontokat egy
-ban haladó törött vonallal! A töréspontok legyenek
. Először alkalmazzuk a Lagrange-egyenlőtlenséget
-re!
. Alkalmazva
-re,
-ra,…,
-re, kapjuk, hogy
.
Legyenek
, egyszerűség kedvéért folytonos függvények,
. Tfh
esetén
. Ekkor mondtuk, hogy
függvény sorozat pontonként tart egy f függvényhez.
Kérdés: ebből következik-e, hogy
? Általában nem. Pl.:
Tétel: egy
és
egyenletesen (
). Ekkor
.
Bizonyítás:
ezt kellene belátni.
. Mivel
egyenletesen
. Így
, ebből következik a tétel állítása.
Tétel: legyen , sor egyenletesen konvergens (vagyis ha a részletösszegek sorozata egyenletesen konvergál f-hez, ekkor amúgy f folytonos) .
Tétel: tfh
függvény folytonosan differenciálható, továbbá
egyenletesen
-n, továbbá egy alkalmas
helyre
véges. Ebből következik, hogy
egyenletesen
-n, f folytonosan differenciálható és
.
Bizonyítás: alkalmazzuk a Newton-Leibniz formulát az
folytonosan differenciálható függvényekre,
rögzített.
, mert
egyenletesen,
vagy
. Továbbá
egyenletesen tart
-hoz, ugyanis
és
egyenletesen
-n. Kellett, hogy
véges legyen!
.
Tétel: tfh
folytonosan differenciálható.
egyenletesen konvergens
-n, továbbá
véges. Ekkor
egyenletesen konvergens
-n,
függvény differenciálható
-n és
.
Bizonyítás:
…
Cauchy-féle középérték Tétel: tfh
, folytonosak,
-n differenciálhatóak és
. Ekkor
. (Ha
, akkor ez a Lagrange középérték tétel)
Bizonyítás:
, ugyanis ha
lenne, akkor a Rolle tétel szerint g függvényre
. Legyen
. Ekkor F folytonos
-n és differenciálható
-n,
,
.
Rolle tétel segítségével
, azaz
.
L’ Hôpital szabály
Tétel (alapeset): tfh f, g értelmezve van és differenciálható
egy környezetében (a-ban nem is kell), továbbá
és
. Ekkor
, ha létezik ez utóbbi.
Bizonyítás: értelmezzük az f és g függvényt a-ban!
,
. Ezért f, g folytonosak a egy környezetében és deriválhatók is x kivételével,
. Alkalmazzuk a Cauchy-féle középérték-tételt: a környezetében levő x pont és a által meghatározott intervallumra
esetén
, ha ez utóbbi létezik.
Általánosítások: a)
és
, ekkor is igaz, hogy
, ha ez utóbbi létezik
b)
és
esetén hasonló állítás.
, ezt nevezzük x-nek a körüli hatványsornak. Ez egy speciális függvénysor. Legyen ennek a konvergencia sugara R! Tudjuk, hogy esetén a hatványsor konvergens x-ben. Azt is tudjuk, hogy esetén a hatványsor egyenletesen konvergens intervallumon.
Tétel: legyen a hatványsor konvergencia sugara és . Ekkor egyrészt tetszőleges esetén a hatványsor tagonként integrálható, vagyis .
Tétel: legyen a hatványsor konvergencia sugara
és
. Ekkor
esetén a hatványsor x-ben tagonként deriválható:
.
Bizonyítás: alkalmazzuk a függvénysorok tagonkénti deriválásáról szóló tételt! Világos, hogy a hatványsor tagjai folytonosak, akárhányszor differenciálhatóak. Kérdés: mi a tagok deriváltjaiból alkotott hatványsor konvergencia sugara? Látható, hogy ugyanaz. A derivált sor k-adik tagja:
, erre ugyanaz a konvergencia sugár adódik. Tehát a deriváltakból álló sor egyenletesen konvergens
-n ha
,
,
-t megválaszthatjuk úgy, hogy
.
tfh egy hatványsor konvergencia sugara > 0,
,
. (Definíció szerint itt
.)
Az előbbiek szerint
esetén
Ekkor
.
Állítás: ha . Speciális eset, ha f polinom, azaz (N-edfokú polinom), vagyis , ekkor , más szóval .
Taylor formula Lagrange- féle maradéktaggal
Tétel: tfh f függvény N+1-szer differenciálható a egy környezetében. Ebben a környezetben fekvő tetszőleges x pontjára
, alkalmasan választott
elemre.
Megjegyzés:
esetén megkapjuk a Lagrange-féle középértéktételt.
Bizonyítás: jelölje
. Ekkor
, de
, így
. Továbbá
, node
, így
…
. Tekintsük:
, felhasználva a Cauchy-féle középérték tételt. További alkalmazása segítségével
Következmény: ha f akárhányszor differenciálható a egy környezetében, akkor (ha tudom, hogy
-ben egyenletesen)
, ez f Taylor sorfejtése. Egyszerű, elegendő (de nem szükséges) feltétel, ha
,
egyenletesen korlátos, ugyanis
.
Definíció: tfh egy f függvény a egy környezetében akárhányszor differenciálható! Ekkor
hatványsort az f függvény Taylor sorának nevezünk.
Megjegyzés: lehetséges, hogy f akárhányszor differenciálható, de a Taylor sora az a pont kivételével nem állítja elő a függvényt. pl:
. Ennek
akárhányszor deriválható az
helyen.
, tehát
Taylor sora 0, pedig
ha
.